科学家们正在利用放射性碳设计制造微型、长寿命的核电池

科学家们正在利用放射性碳制造微型、长寿命的核电池。这些贝塔伏特电池的寿命可能比锂电池更长，并且无需充电即可为设备供电数十年，为未来能源提供更安全、更清洁的能源。

想象一下，你再也不用给手机充电，或者拥有终身使用的心脏起搏器。科学家们正在开发由放射性碳（核电站的一种安全且丰富的副产品）驱动的微型核电池。

与锂离子电池不同，锂离子电池会随着时间的推移而退化，并对环境造成危害，而这些新设计使用β射线来触发电子雪崩并发电。该团队的最新原型大大提高了效率，尽管仍存在挑战，但这项技术有朝一日可能会让核能像你的口袋设备一样触手可及。

手机意外没电和电动汽车无法到达目的地都凸显了一个常见问题：电池限制。从手机到汽车，大多数可充电锂离子 (Li-ion) 电池在充电后只能使用数小时或数天。随着时间的推移，它们的性能会下降，需要更频繁地充电。

为了解决这个问题，研究人员正在探索一种新方法：放射性碳驱动的核电池。这些体积小、价格实惠的电池可以提供安全、持久的能源，且可持续数十年，无需充电。

大邱庆北科学技术研究院教授 Su-Il In 将在 3 月 23 日至 27 日举行的美国化学学会 (ACS) 2025 年春季会议上介绍其团队的研究成果。此次活动包括约 12000 场演讲，涵盖广泛的科学主题。

小型染料敏化贝塔伏特电池的阴极和阳极上都有放射性碳，这提高了其能量转换效率。图片来源：Su-Il In

频繁充电不仅不方便，还限制了无人机和远程传感器等依赖稳定、长期电力的技术的实用性。锂离子电池也有环境方面的缺点：锂矿开采耗能大，不当处置会损害生态系统。随着我们的世界变得更加互联和数据驱动，对更耐用、更可持续的电池解决方案的需求正在增长。

而更好的锂离子电池可能不是解决这一挑战的答案。“锂离子电池的性能几乎已经饱和，”研究未来能源技术的 In 说。因此，In 和他的团队成员正在开发核电池作为锂电池的替代品。

核电池利用放射性物质发射的高能粒子来发电。并非所有放射性元素都会发射对生物体有害的辐射，某些辐射可以被某些材料阻挡。例如，β粒子（也称为β射线）可以用薄铝片屏蔽，这使得贝塔伏特电池成为核电池的潜在安全选择。

研究人员利用碳-14（一种不稳定且具有放射性的碳形式，称为放射性碳）制作了贝塔伏特电池原型。“我决定使用碳的放射性同位素，因为它只产生β射线，”In 说。此外，放射性碳是核电站的副产品，价格低廉、随时可用且易于回收。而且由于放射性碳降解速度非常慢，因此放射性碳电池理论上可以使用数千年。

在典型的Betavoltaic电池中，电子撞击半导体，从而产生电能。半导体是Betavoltaic电池的关键组件，因为它们主要负责能量转换。因此，科学家正在探索先进的半导体材料，以实现更高的能量转换效率——衡量电池将电子转化为可用电能的效率。

为了显著提高新设计的能量转换效率，In 和团队使用了一种二氧化钛基半导体，这是太阳能电池中常用的材料，并用钌基染料敏化。他们用柠檬酸处理加强了二氧化钛和染料之间的结合。当放射性碳的β射线与处理过的钌基染料碰撞时，会发生一系列电子转移反应，称为电子雪崩。然后雪崩穿过染料，二氧化钛有效地收集产生的电子。

新电池的染料敏化阳极和阴极中也含有放射性碳。通过用放射性同位素处理两个电极，研究人员增加了产生的β射线量，并减少了两个结构之间与距离相关的β射线能量损失。

在演示原型电池时，研究人员发现，两个电极上的放射性碳释放的β射线会触发阳极上的钌基染料，从而产生电子雪崩，电子雪崩被二氧化钛层收集并通过外部电路产生可用电能。与之前仅在阴极上使用放射性碳的设计相比，研究人员的电池在阴极和阳极上都使用放射性碳，能量转换效率高得多，从 0.48% 提高到 2.86%。

In 表示，这些长寿命核电池可以实现许多应用。例如，心脏起搏器可以伴随人的一生，无需进行手术更换。

然而，这种Betavoltaic设计只能将一小部分放射性衰变转化为电能，因此与传统锂离子电池相比，其性能较低。这表明，进一步优化β射线发射器的形状并开发更高效的β射线吸收器可以提高电池的性能并增加发电量。

随着气候问题日益严重，公众对核能的看法正在发生变化。但人们仍然认为核能只是在偏远地区的大型发电厂生产的能源。有了这些双源染料敏化贝塔伏特电池，In 表示：“我们可以将安全的核能放入手指大小的设备中。”

该项研究由韩国国家研究基金会以及 韩国科学和信息通信技术部大邱庆北科学技术研究所研究与开发项目资助。

编译自/ScitechDaily